Đề tài luận án được thực hiện nhằm mục đích tìm ra điều kiện công nghệ thích hợp như pH của dung dịch, nhiệt độ nung, thời gian nung, các biện pháp xử lí bề mặt nền kim loại titan để chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit (HA và FHA) trên nền titan bằng phương pháp sol-gel có khả năng ứng dụng y sinh.
F BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC LỚP PHỦ HYDROXYAPATIT CĨ KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH SINH HỌC TRÊN NỀN VẬT LIỆU TITAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Ngô Thị Ánh Tuyết NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC LỚP PHỦ HYDROXYAPATIT CÓ KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH SINH HỌC TRÊN NỀN VẬT LIỆU TITAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Ngọc Phong TS Phạm Thi San Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi khơng trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết luận án trung thực, chưa cơng bố tạp chí đến thời điểm ngồi cơng trình tác giả Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Ngô Thị Ánh Tuyết i LỜI CẢM ƠN! Lời với lịng biết ơn sâu sắc tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Phong TS Phạm Thi San dẫn quý báu định hướng nghiên cứu phương pháp luận tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án này! Tôi bày tỏ lời cảm ơn Viện Khoa học Vật liệu, Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất thời gian để tơi hồn thành luận án Tơi đồng thời gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp Phòng ăn mòn bảo vệ vật liệu, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu Comfa, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam chia sẻ, đóng góp kinh nghiệm quý báu trợ giúp trang thiết bị để thực nghiên cứu Và xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Hiromoto viện Khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) hỗ trợ giúp đỡ tơi nhiều q trình thực luận án Tôi cám ơn đồng nghiệp, bạn bè – người quan tâm, động viên suốt thời gian qua! Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân tơi người động viên tiếp sức cho tơi thêm nghị lực để tơi vững tâm hồn thành luận án Tác giả luận án Ngô Thị Ánh Tuyêt ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN .5 1.1 Giới thiệu vật liệu cấy ghép kim loại 1.1.1 Vật liệu kim loại phân hủy sinh học 10 1.1.2.Vật liệu kim loại vĩnh cửu sinh học 12 1.1.2.1 Thép không gỉ 13 1.1.2.2 Hợp kim Coban 14 1.1.2.3.Vật liệu titan 15 1.2 Các lớp phủ tương thích sinh học 22 1.2.1 Các loại hợp chất tương thích sinh học canxi photphat (Ca-P) 22 1.2.2 Các lớp phủ tương thích sinh học sở HA .24 1.2.2.1 Lớp phủ HA .24 1.1.2.2 Lớp phủ dẫn xuất HA 26 1.2.3 Một số phương pháp chế tạo lớp phủ tương thích sinh học sở HA 27 1.2.3.1 Phương pháp plasma 27 1.2.3.2 Phương pháp phún xạ magnetron 28 1.2.3.3 Phương pháp điện hóa 29 1.2.3.4 Phương pháp điện di 31 1.2.3.5 Phương pháp ngâm y sinh 32 1.2.3.6 Phương pháp Sol-Gel 33 CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1 Thiết bị dụng cụ 38 2.2 Hóa chất vật liệu 38 2.3 Chế tạo lớp phủ HA phương pháp sol-gel .39 2.3.1 Chuẩn bị titan 39 2.3.2 Quy trình chế tạo sol HA FHA 40 2.3.2.1 Quy trình chế tạo sol HA 40 2.3.2.2 Quy trình chế tạo sol FHA 41 iii 2.3.3 Chế tạo lớp phủ HAvà FHA lên vật liệu titan 42 2.4 Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất lớp phủ .42 2.4.1 Phương pháp đánh giá tính chất vật lý học 43 2.4.1.1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai nhiệt trọng lượng 43 2.4.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X .43 2.4.1.3 Phương pháp đo độ nhám bề mặt (Kính hiển vi 3D) 44 2.4.1.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét phổ tán sắc lượng tia X 44 2.4.1.5 Phương pháp đo độ bền bám dính .45 2.4.2 Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mịn 46 2.4.2.1.Hệ đo điện hóa ba điện cực cách chuẩn bị mẫu đo 46 2.4.2.2 Phương pháp đo tổng trở 47 2.4.2.3 Phương pháp đo đường cong phân cực anốt (Potentiodynamic) .48 2.4.3 Các phương pháp đánh giá khả tương thích sinh học .49 2.4.3.1 Đánh giá thử nghiệm in-vitro .49 2.4.3.2 Đánh giá thử nghiệm in- vivo động vật 50 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 3.1 Nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA phương pháp Sol-Gel 53 3.1.1 Nghiên cứu đặc tính sol .53 3.1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng giá trị pH sol đến hình thành pha 53 3.1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến độ nhớt sol 55 3.1.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến cấu trúc bề mặt lớp phủ 57 3.1.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến phân hủy sol HA .58 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo đến tính chất lớp phủ HA vật liệu titan .59 3.1.2.1 Xác định chiều dày lớp phủ HA 59 3.1.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ nung đến tính chất lớp phủ HA 61 a Ảnh hưởng chế độ nung đến cấu trúc lớp phủ .62 b Ảnh hưởng chế độ nung đến thành phần pha lớp phủ 67 c Ảnh hưởng chế độ nung đến độ bền bám dính lớp phủ 69 d Ảnh hưởng chế độ nung đến khả chống ăn mòn 71 3.1.3 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp phủ HA 75 iv 3.1.3.1 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp phủ HA cách tạo lớp TiO2 trung gian 75 3.1.3.2 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính titan xốp .86 3.1.3.3 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp FHA 87 3.2 Đánh giá khả tương thích sinh học vật liệu .92 3.2.1 Nghiên cứu in-vitro 92 3.2.1.1 Nghiên cứu hình thành màng apatit thử nghiệm in-vitro 92 3.2.1.2 Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF sau thử nghiệm in-vitro .101 3.2.1.3.Sự hao hụt khối lượng sau thử nghiệm in-vitro 102 3.2.2 Nghiên cứu in vivo 103 3.2.2.1 Đánh giá tình trạng chỗ vết mổ 103 3.2.2.2 Các số huyết học trước sau phẫu thuật 104 3.2.2.3 Đánh giá hình ảnh đại thể vị trí ghép thỏ sau cấy ghép vật liệu kết xương .105 ĐỀ XUẤT VÀ KIẾN NGHỊ 109 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .112 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Viết tắt ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 2 Diffraction angle Góc nhiễu xạ ba Anode taffel slope Độ dốc tafel nhánh anôt bc Cathode taffel slope Độ dốc tafel nhánh catôt BM biodegradable metal Kim loại phân hủy sinh học Ca P Calcium phosphate Canxi phốt phát CE Counter electrode Điện cực đối DCPA Mono calcium phosphate mono hydrat mono canxi phot phat mono hydrat DTA Differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai E Potential Điện điện cực FHA Fluor-hydroxyapatite Florua apatit HA Hydroxyapatite Hydroxyapaptit EDS Energy dispersive X-ray Phổ tán xạ lượng tia X i Current density Mật độ dòng điện io Exchange current density Mật độ dòng điện trao đổi n Number of electrons transferred in the reaction Số điện tử tham gia phản ứng PM Permanent Metallic Kim loại vĩnh cửu RE Reference electrode Điện cực so sánh SBF Simulated body fluid Mô dịch giả thể SCE Saturated calomel electrode Điện cực calomel bão hòa SHE Standard hydrogen electrode Điện cực chuẩn hydro TCP Tricalcium phosphate Tri canxi phốt phát vi TGA Thermo-gravimetric analysis Phân tích nhiệt trọng lượng v Scan rate Tốc độ quét WE Working electrode Điện cực làm việc XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X ρ Resistivity Điện trở suất ηa Anodic over potential Quá anôt ηc Cathodic over potential Q catơt vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vật liệu implant sử dụng thể người Hình 1.2 Hình ảnh vật liệu implant sau cấy ghép 10 Hình 1.3 Một số cấu trúc xốp điển hình hợp kim Mg .12 Hình 1.4 Hình ảnh Stent chèn vào động mạch 13 Hình 1.5 Một số hình ảnh ứng dụng Ti nha khoa …………… ……16 Hình 1.6 Hình ảnh minh họa trình cấy ghép hợp kim titan .17 Hình 1.7 Ảnh SEM số cấu trúc titan xốp: a-cấu trúc xốp mở ( cấu trúc tổ ong chiều); b-cấu trúc lỗ xốp đóng; c-cấu trúc kim cương 20 Hình 1.8 Hình ảnh xương ăn sâu vào lỗ xốp sau cấy ghép 21 Hình 1.9 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu titan xốp sau cấy ghép 21 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc tinh thể HA 25 Hình 1.11 Sơ đồ trình phủ plasma 28 Hình 1.12 Sơ đồ minh họa hệ thống phún xạ magnetron 29 Hình 1.13 Sơ đồ phương pháp anốt hóa plasma 31 Hình 1.14 Sơ đồ mơ tả q trình kết tủa phương pháp điện di .32 Hình 1.15 Sơ đồ phương pháp ngâm y sinh 32 Hình 1.16 Sơ đồ tổng hợp hydroxyapatite (HA) phương pháp sol-gel 34 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo sol HA 40 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo sol FHA .41 Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo lớp phủ HA FHA titan .42 Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X hydroxyapatite .44 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống đo điện hóa .47 Hình 2.6 Đường cong phân cực anốt: a-đường cong phân cực anốt có thụ động bđường cong tafel 49 Hình 2.7 Thử nghiệm cấy ghép xương đùi thỏ 51 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X với thay đổi pH dung dịch 54 Hình 3.2 Ảnh hưởng pH đến hình thành HA 55 Hình 3.3 Hình thái bề mặt lớp phủ HA với pH Sol thay đổi 58 Hình 3.4 Giản đồ DTA TGA dung dịch sol HA 59 Hình 3.5 Chiều dày lớp phủ HA 61 Hình 3.6 Hình thái bề mặt lớp phủ HA Ti theo nhiệt độ nung 62 Hình 3.7 Hình thái bề mặt lớp phủ HA Ti với nhiệt độ nung 500 0C 63 Hình 3.8 Hình thái bề mặt lớp phủ HA Ti với nhiệt độ nung 800 0C 63 Hình 3.9 Hình thái bề mặt lớp phủ HA Ti với nhiệt độ nung 900 0C 64 Hình 3.10 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu nung 900 0C 65 viii ... tài nghiên cứu luận án: ? ?Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hydroxyapatit có khả tương thích sinh học vật liệu titan phương pháp sol-gel” Mục tiêu luận án: Chế tạo lớp phủ sở HA lên vật liệu titan phương. .. 15 1.2 Các lớp phủ tương thích sinh học 22 1.2.1 Các loại hợp chất tương thích sinh học canxi photphat (Ca-P) 22 1.2.2 Các lớp phủ tương thích sinh học sở HA .24 1.2.2.1 Lớp phủ HA... điểm nhằm mở rộng khả ứng dụng y sinh, nhà khoa học nghiên cứu phủ lớp có khả tương thích sinh học lên titan hợp kim chúng Trong loại lớp phủ này, vật liệu hydroxyapatite (HA) có cơng thức Ca10(PO4)6(OH)2